风电齿轮渗碳淬火变形研究

【摘要】：风电齿轮是风电设备上的重要零部件，表面硬度和耐磨性是影响其使用性能的重要指标。为了提高风电齿轮表面的硬度和耐磨性，在加工过程中需要对风电齿轮进行热处理。热处理在提高风电齿轮机械性能的同时也带来了齿轮变形问题。本文针对某型号风电输出大齿轮的热处理变形开展了相关的理论和实验研究，获得了该齿轮热处理变形的规律和机制。主要研究工作和成果如下： 1.对齿轮渗碳过程进行了计算机模拟和实验研究。建立了齿轮渗碳过程的数值分析模型，并通过化学剥层实验验证了数值计算结果的准确性。分别采用化学剥层法、显微金相法、有效硬化层法研究了18CrNiMo7-6材质钢渗碳层深度，通过对比试验研究了18CrNiMo7-6钢有效硬化层的界限碳浓度，结果显示不同渗碳工艺下的有效硬化层界限碳浓度基本在0.35%左右。 2.基于渗碳数值模拟的结果，对齿轮渗碳淬火的整个热处理过程进行了数值模拟研究。采用JMatPro软件对18CrNiMo7-6材料的热物性参数、机械性能参数、相变转变曲线数据进行了准确地提取。数值模拟中硝盐、水淬边界参数通过“热传导逆向迭代逼近法”获取，强制空冷和自然空冷的热交换综合考虑空气的辐射和对流影响，空冷边界参数的加载基于传热学理论推导的函数。结果表明数值计算的温度场、组织场、应力结果与实验值吻合，本文采用的数值计算方法具有较高精度。 3.开展了某型号输出大齿轮渗碳淬火的变形规律和机理研究。在热处理各工序前后对齿轮的特征尺寸齿顶圆直径、公法线长度、椭圆度、锥度进行了测量。基于相关统计学原理，获得了该齿轮的变形规律，结合齿轮热处理变形数值计算结果和热处理条件，分析了该齿轮变形的机理。热处理试验结果显示输出大齿轮渗碳淬火变形的实验值与数值计算结果吻合，且都满足了渗碳淬火后的技术指标要求。 【关键词】：风电齿轮 18CrNiMo7-6 渗碳淬火 变形 数值模拟
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG162.73
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 注释表11-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 课题的背景及意义12-13
• 1.2 齿轮热处理变形控制13-17
• 1.2.1 齿轮热处理变形的主要因素13-15
• 1.2.2 国外齿轮热处理变形控制技术的发展15-16
• 1.2.3 国内齿轮热处理变形控制技术的发展16-17
• 1.3 热处理数值模拟现状17-19
• 1.3.1 气体渗碳的数值模拟研究现状17-18
• 1.3.2 淬火的计算机模拟研究现状18
• 1.3.3 热处理 CAD 技术发展现状18-19
• 1.4 主要研究内容19-21
• 第二章 研究对象、工具和方法21-27
• 2.1 研究对象的基本参数21-22
• 2.1.1 研究对象的材料21
• 2.1.2 研究对象的结构21-22
• 2.2 研究对象的热处理技术指标和工艺22-24
• 2.2.1 热处理技术指标22
• 2.2.2 渗碳工艺22-23
• 2.2.3 淬火回火工艺23-24
• 2.3 研究工具24-25
• 2.3.1 实验设备24
• 2.3.2 前后处理分析软件24-25
• 2.3.3 热处理数值模拟 Sysweld 软件介绍25
• 2.4 研究方法25-27
• 第三章 风电齿轮渗碳的数值模拟27-36
• 3.1 渗碳数学模型27-28
• 3.2 渗碳过程数值模拟28-32
• 3.2.1 有限元模型28-29
• 3.2.2 网格划分29-30
• 3.2.3 边界条件与求解设置30-31
• 3.2.4 渗碳计算结果的分析31-32
• 3.3 渗碳计算结果的实验验证32-35
• 3.3.1 渗碳层测试方法32-33
• 3.3.2 化学分析法实验验证33-34
• 3.3.3 三种渗碳层测定方法的比较34
• 3.3.4 有效硬化层界限碳浓度的研究34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第四章 风电齿轮分级淬火的数值模拟36-57
• 4.1 风电齿轮热处理温度场研究36-44
• 4.1.1 温度场模型36-37
• 4.1.2 材料参数37-40
• 4.1.3 界面换热系数40-42
• 4.1.4 有限元的网格模型和边界约束42-43
• 4.1.5 温度场数值模拟结果及实验验证43-44
• 4.2 风电齿轮热处理组织场研究44-52
• 4.2.1 组织场数值模型44-45
• 4.2.2 原始组织45
• 4.2.3 不同含碳量下 TTT 和 CCT 曲线45-50
• 4.2.4 组织场模拟结果50-52
• 4.2.5 组织场实验验证及讨论52
• 4.3 风电齿轮热处理应力场及变形研究52-57
• 4.3.1 应力场数值模型52-54
• 4.3.2 应力场数值模拟结果及验证对比54-55
• 4.3.3 整体变形结果分析55-56
• 4.3.4 本章小结56-57
• 第五章 风电齿轮渗碳淬火变形规律研究57-66
• 5.1 变形的测量方法及实验安排57-58
• 5.2 变形结果及分析58-65
• 5.2.1 公法线的尺寸58-59
• 5.2.2 齿顶圆直径的尺寸59-62
• 5.2.3 锥度、椭圆度的尺寸62-63
• 5.2.4 风电齿轮变形规律和机理63-65
• 5.3 本章小结65-66
• 第六章 总结与展望66-69
• 6.1 总结66-67
• 6.2 展望67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-74
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文74

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